Как параллельные выходы одного нейрона могут координировать многие аспекты поведения | Новости Массачусетского технологического института

Новое исследование Массачусетского технологического института, в котором основное внимание уделяется одной клетке одной из простейших нервных систем природы, дает глубокую иллюстрацию того, как отдельные нейроны могут использовать несколько средств для управления сложным поведением.

в К. Элеганс У червя, у которого всего 302 нервных клетки, нейрон HSN выделяет несколько химических веществ и образует множество связей по своей длине, чтобы не только контролировать мгновенную откладку яиц и передвижение животного, но и затем замедлять червя на несколько минут после откладки яиц. . Чтобы контролировать эту последнюю фазу поведения, HSN передает нейромедиатор серотонин соседнему нейрону, который через несколько минут повторно высвобождает его, чтобы повлиять на поведение.

«Наши результаты показывают, как один нейрон может влиять на широкий набор поведенческих реакций в различных временных масштабах, и показывают, что нейроны могут «заимствовать» серотонин друг у друга, чтобы контролировать поведение», — исследователи отчет в Текущая биология.

Старший автор исследования Стивен Флэвелл, доцент Института обучения и памяти Пикауэра и кафедры мозга и когнитивных наук. Постдок Юнг-Чи Хуанг — первый автор исследования.

Занятой нейрон

На момент начала исследования связи HSN с другими нейронами уже были картированы. (К. Элеганс (единственное животное, у которого известен полный коннектом нейронов), и оно также было связано с яйцекладкой. Тем временем лаборатория Флавелла заметила, что когда черви откладывают яйца, они мчатся по участкам с пищей примерно так же, как фермер управляет трактором, чтобы разбрасывать семена по плодородной почве. Более того, ученые заметили, что при удалении HSN черви не проявляют характерного пищевого поведения, заключающегося в замедлении скорости, чтобы пообедать кусочками пищи.

Но как этот единственный нейрон оказал такое, казалось бы, парадоксальное влияние на поведение (откладывание яиц, ускорение для этого и замедление после этого), оставалось загадкой. Команда Флавелла и Хуанга использовала широкий спектр методов и экспериментов, чтобы выяснить, как HSN выполняет свои многочисленные задачи.

Чтобы установить, что HSN действительно играет причинную роль в контроле такого поведения, они манипулировали активностью нейрона с помощью оптогенетики — метода, при котором клетки генетически проектируются так, чтобы ими можно было управлять с помощью вспышек света. Помимо подтверждения ключевой роли HSN в откладке яиц, эти и другие эксперименты по генетическим манипуляциям также подтвердили, что HSN заставляет червя ускоряться, а затем, после периода перемещения и откладки яиц, замедляться на несколько минут. Лаборатория также отслеживала электрическую активность HSN во время такого поведения (путем отслеживания потока ионов кальция внутри клетки при свободном перемещении животных) и обнаружила, что определенные закономерности активности клеток связаны с откладкой яиц и передвижением.

Многие молекулярные средства

Установив, что HSN вызывает три связанных поведения, лаборатория затем сосредоточилась на том, как это происходит.

Известно, что HSN выделяет широкий спектр химических веществ-нейромедиаторов, включая серотонин, ацетилхолин и многочисленные пептиды. Известно, что высвобождение серотонина и нейропептида под названием НЛП-3 стимулирует яйцекладку. Чтобы определить, как нейрон обеспечивает быстрое передвижение, команда систематически отключала каждый нейромедиатор HSN, а затем стимулировала HSN, чтобы увидеть, могут ли черви все еще ускоряться, когда HSN не может производить то или иное химическое вещество. Эксперименты показали, что HSN способствует усилению локомоции за счет высвобождения двух нейропептидов, называемых FLP-2 и FLP-28.

Тем временем выведение серотонина из HSN отключило замедление поведения червя. Дальнейшие эксперименты показали, как это произошло. Команда Флавелла ранее изучала нейрон NSM и показала, что он использует серотонин, когда червь питается, чтобы ингибировать двигательные цепи и замедлять червя перед едой. В этом исследовании команда показала, что действие NSM зависит от поступления серотонина из HSN. Например, когда HSN не мог производить серотонин, NSM не мог также замедлить развитие червей. Далее команда показала, что NSM использует транспортер серотонина SERT (называемый MOD-5 в К. Элеганс), чтобы забрать серотонин HSN и повторно высвободить его. Это показало, что серотонинергические нейроны могут объединять и делиться серотонином друг с другом, что оказывает прямое влияние на поведение животного, говорит Флавелл.

Обратившись к анатомии HSN, команда обнаружила, что контроль передвижения и контроль откладки яиц происходит в разных точках аксона HSN. Тело клетки HSN находится в средней части тела животного. Он образует синапсы с яйцекладкой в ​​средней части тела, а затем его аксон проецируется на голову, образуя синапсы с другими нейронами. Разрезание аксона HSN между средней частью тела и головой не нарушило яйцекладку животного, но препятствовало координации яйцекладки и передвижения, что позволяет предположить, что проекция HSN на голову координирует действие HSN на цепь откладки яиц с его действием на контур локомоции.

В целом исследование показало, как HSN использует множество параллельных выходов нейротрансмиттеров разными способами для управления поведением животного.

«Наши результаты иллюстрируют, как клеточная морфология, множественные трансмиттерные системы и неканонические способы передачи, такие как «заимствование» нейротрансмиттеров, наделяют одиночный нейрон способностью управлять множеством функций поведенческой программы», — пишут авторы.

Между тем, открытие того, что нейроны могут поглощать и повторно высвобождать серотонин, вырабатываемый другими нейронами, для контроля поведения, открывает новую особенность передачи сигналов серотонина, которая может иметь важные медицинские последствия, говорит Флавелл. Молекула, поглощающая серотонин, SERT/MOD-5, является мишенью для ингибиторов обратного захвата серотонина (СИОЗС), таких как Прозак. Это исследование повышает вероятность того, что СИОЗС могут влиять на то, как нейроны обмениваются серотонином друг с другом, что может иметь отношение к их способу действия при лечении широкого спектра психических расстройств.

Помимо Хуана и Флавелла, другими авторами статьи являются Цзиньюэ Луо, Вэньцзя Хуан, Кейси Бейкер, Мэтью Гомес, Бохан Мэн и Александра Бирн.

Финансирование исследования внесли Национальные институты здравоохранения, Национальный научный фонд, Фонд Макнайта, Фонд Альфреда П. Слоана, Институт Пикауэра и Фонд JPB.